集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)ch-在線(xiàn)瀏覽
2025-02-24 01:55本頁(yè)面
【正文】 ? 181。.?0? 柵極 溝道間 氧化層介電常數(shù) , ?39。 0?dsdsdVdI? ? 2Tgsoxoxds m a x 21 VVLWtI ?????MOS的伏安特性 — 漏極飽和電流 MOSFET特性曲線(xiàn) ? 在非飽和區(qū) ? 線(xiàn)性工作區(qū) ? 在飽和區(qū) (Ids 與 Vds無(wú)關(guān) ) . MOSFET是 平方律 器件 ! I d sV d s0線(xiàn)性區(qū)飽和區(qū)擊穿區(qū)11 bVaI gsCVds ds ???? ?22 Tgsds VVaI ?? MOSFET電容的組成 MOS電容是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的電容 ， 有多層介質(zhì)： ? 首先 ， 在柵極電極下面有一層 SiO2介質(zhì) 。 最后 ， 是一個(gè)襯底電極 ， 它同襯底之間必須是歐姆接觸 。 1） 當(dāng) Vgs0時(shí) ， 柵極上的負(fù)電荷吸引了 P型襯底中的多數(shù)載流子 —空穴 ， 使它們聚集在 Si表面上 。 oxoxoxoxox tWLtWLC ?? ??MOS電容 — SiO2和耗盡層介質(zhì)電容 2） 當(dāng) Vgs0時(shí)，柵極上的正電荷排斥了 Si中的空穴，在柵極下面的 Si表面上，形成了一個(gè)耗盡區(qū)。這些束縛電荷是分布在厚度為 Xp的整個(gè)耗盡區(qū)內(nèi)，而柵極上的正電荷則集中在柵極表面。 ?以 SiO2為介質(zhì)的電容器 —— Cox ?以耗盡層為介質(zhì)的電容器 —— CSi 總電容 C為 : 比原來(lái)的 Cox要小些。1pSiAASiXqNdx dxqN ??? ?? ??ASip NqX??2?MOS電容 — 耗盡層電容 這時(shí) ， 在耗盡層中束縛電荷的總量為 ， 它是耗盡層兩側(cè)電位差 ?的函數(shù) ， 因此 ， 耗盡層電容為 ， 是一個(gè)非線(xiàn)性電容 ， 隨電位差的增大而減小 。 耗盡層上的電壓降的增大 ， 實(shí)際上就意味著Si表面電位勢(shì)壘的下降 ， 意味著 Si表面能級(jí)的下降 。 這時(shí) ， 在 Si表面 ， 電子濃度與空穴濃度 相等 ， 成為本征半導(dǎo)體 。 這時(shí) ， Si表面的電子濃度超過(guò)了空穴的濃度 ， 半導(dǎo)體呈 N型 ， 這就是反型層 。 因?yàn)檫@時(shí)電子的濃度還低于原來(lái)空穴的濃度 。 4） 當(dāng) Vgs增加 ， 達(dá)到 VT值 ， Si表面電位的下降 ， 能級(jí)下降已達(dá)到 P型襯底的費(fèi)米能級(jí)與本征半導(dǎo)體能級(jí)差的二倍 。 顯然 ， 耗盡層厚度不再增加 ，CSi也不再減小 。 最小的 CSi是由最大的耗盡層厚度 Xpmax計(jì)算出來(lái)的 。 耗盡層電容將增大 。 當(dāng) Vgs足夠大時(shí) ， 反型層中的電子濃度已大到能起到屏蔽作用 ， 全部的電力線(xiàn)落在電子上 。 電容曲線(xiàn)出現(xiàn)了凹谷形 ， 如圖 。 若該 MOS電容是一個(gè)孤立的電容 ， 這些電子只能依靠共價(jià)鍵的分解來(lái)提供 ， 它是一個(gè)慢過(guò)程 。 圖 ① ② ③ ④ ⑤ MOS電容 ?凹谷特性測(cè)量 ? 若測(cè)量電容采用高頻方法 ， 譬如 ， 掃頻方法 ，電壓變化很快 。 ? 然而 ， 在大部分場(chǎng)合 ， MOS電容與 n+區(qū)接在一起 ， 有大量的電子來(lái)源 ， 反型層可以很快形成 ，故不論測(cè)量頻率多高 ， 電壓變化多快 ， 電容曲線(xiàn)都呈凹谷形 。 MOS電容 C對(duì) Cg， Cd有所貢獻(xiàn)。 另外 ， 源極耗盡區(qū) 、 漏極 耗盡區(qū)都滲進(jìn)到柵極下面的 區(qū)域 。 當(dāng)然 ， 引出 線(xiàn)之間還有雜散電容 ， 可 以計(jì)入 Cgs和 Cgd。 MOS電容 C = Cox， 但 C 對(duì) Cd無(wú)貢獻(xiàn) 。 MOS電容是變化的 ，呈凹谷狀 ， 從 Cox下降到最低點(diǎn) ， 又回到 Cox。 MOS電容的計(jì)算 MOS電容的計(jì)算 ? 若處于 非飽和狀態(tài) ，則按 1/3與 2/3分配，即 Cg = Cgs + 2/3C Cd = Cdb +1/3C 那是因?yàn)樵诜秋柡蜖顟B(tài)下，與柵極電荷成比例的溝道電流為 由 Vgs和 Vds的系數(shù)可知柵極電壓 Vgs對(duì)柵極電荷的影響力，與漏極電壓 Vds對(duì)柵極電荷的影響力為 2:1的關(guān)系，故貢獻(xiàn)將分別為 2/3與 1/3 ? ? dsdsTgsoxds VVVVLWtI ?????? ?????????21??MOS電容的計(jì)算 (續(xù) ) ? 若處于 飽和 狀態(tài) ， 則 表明溝道電荷已與 Vds無(wú)關(guān) ， 溝道已夾斷 。 然而 ， L?的增大使得漏極耗盡層寬度有所增加 ，增大了結(jié)電容 。按 MOS溝道隨柵壓正向和負(fù)向增加而形成或消失的機(jī)理，存在著兩種類(lèi)型的 MOS器件： ?耗盡型 (Depletion)：溝道在 Vgs=0時(shí)已經(jīng)存在 。 一般情況 ， 這類(lèi)器件用作負(fù)載 。 VT的組成 ? 概念上講 , VT就是將柵極下面的 Si表面從 P型Si變?yōu)?N型 Si所必要的電壓 。 ?Vox: SiO2層上的壓降 。 ? 在半導(dǎo)體理論中 ， P型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)是靠近滿(mǎn)帶的 ，而 N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)則是靠近導(dǎo)帶的 。 ? ? 所以有 : ??????????? iabpS nNqkTqU ln22圖 2. Vox的計(jì)算 ? Vox根據(jù)右圖從金屬到氧化物到 Si襯底Xm處的電場(chǎng)分布曲線(xiàn)導(dǎo)出 : ? ?aiaSioxaNqnNkTCqNV2ox/ln4 ??0XM O St ox XmEoxE 0Ex mE(X)? ?aiaSioxaiaoxsT NqnNkTCqNnNqkTVUV2/ln4ln2 ?????VT的理想計(jì)算公式 在工藝環(huán)境確定后 ， MOS管的閾值電壓 VT主要決定于： 1. 襯底的摻雜濃度 Na
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